塔克拉玛干沙漠的侧翼为雄伟的山脉︰天山在北面，昆仑山在南面，帕米尔高原在西面。
 |
| 塔克拉玛干沙漠 |
东面逐渐过渡，直到罗布泊沼盆，在南面和西面，在沙漠和山脉之间，则是由卵石碎屑沉积物构成的一片坡形沙漠低地。
数条小山脉和山链由老第三纪和新第三纪(6640万到160万年以前)的砂岩和黏土形成，隆起于沙漠的西部。弧形的马札拉山脉，在和田与叶尔羌河谷之间，呈弧形向西南绵延而去。长145公里，宽3～5公里，海拔最高1635米。平均高于沙原地表仅300～350米。附近是另一座孤立的山岭，四面为流动沙丘所围绕；托合他卡孜山脉海拔达1560米，山岭高于平原183～244米。
塔克拉玛干沙漠的地表是由几百米厚的松散冲积物形成的。这一冲积层受到风的影响，其为风所移动的沙盖厚达300米。风形成的地形特征多种多样，各种形状与大小的沙丘均可见到。较大的沙丘链幅度可观︰高30～150米，宽240～503米，链间距离0.8～5公里。风形成的最高的地形形式是金字塔形沙丘，高195～300米。在沙漠的东部和中部，以中间凹陷的沙丘和巨大、复杂的沙丘链形成的网为主。在沙漠西部亦属常见，横贯与纵向的地形形式共存。这样一种风形成地形特征的多样形，是盆地风复杂状况的一个结果。
塔克拉玛干沙漠的气候温暖适度，是明显大陆性的，年最高气温为39℃。年降水量极低，从西部的38毫米到东部的10毫米不等。夏季气温高，在沙漠的东缘可高达38℃。东部地区7月份平均气温为25℃。冬季寒冷︰1月份平均气温为-9～-10℃，冬季所达到的最低温度一般在-20℃以下。
西部地区夏季盛行北风和西北风。这两种气流在位于克里雅河最北端的沙漠中心附近相会后，造成复杂的环流系统，这一点清楚地反映在沙丘的形状上。春季，当地表沙变暖时，上升气流发展，东北风特别强烈。在此期间，强飓风尘暴常常发生，使大气充满沙尘，可高达海拔3962米。从其他方向来的风也将尘雾扬入空中，几乎终年笼罩著塔克拉玛干沙漠。
由于塔里木盆地是一个内流水系盆地，从周围山脉而来的全部径流都聚集在盆地自身之中，为河流和地下水层供水。沙漠下面的地下水多半有持续不断的水道，从西面流向东部的罗布泊。由于降雨量小蒸发率高，降雨对于滋润沙漠和给地下水供水微不足道。昆仑山水系河流渗透到沙漠中达100～200公里，逐渐在沙漠中乾涸。只有和田河穿越沙漠腹地，在夏季偶然可将水流注入塔里木河。
塔克拉玛干沙漠植被极端稀少，几乎整个地区都缺乏植物覆盖。在沙丘间的凹地中，地下水离地表不超过3～5米，可见稀疏的柽柳、硝石灌丛和芦苇。然而，厚厚的流沙层阻碍了这种植被的扩散。植被在沙漠边缘——沙丘与河谷及三角洲相会的地区，地下水相对接近地表的地区——较为丰富。在那里，除了上述植物外，尚可见一些河谷特有的品种︰胡杨、胡颓子、骆驼刺、蒺藜及猪毛菜。冈上沙丘常围绕灌丛形成。而该沙漠的动物也极端稀少，只是在沙漠边缘地区，在有水草的古代和现代河谷及三角洲，动物才较为多样。在开阔地带可见成群的羚羊，在河谷灌木丛中有野猪，猞猁，塔里木兔，野马，天鹅，啄木鸟。在食肉动物中有狼，狐狸还有沙蟒。直到20世纪初，还可见到虎，但它们从那时起就灭绝了。稀有动物包括栖息在塔里木河谷的西伯利亚鹿与野骆驼，后者在19世纪末时尚在远及和田河的塔克拉玛干沙漠的多半地域徜徉，但现在只偶然出现于沙漠东部地区。